1砂石材料.ppt

第一章砂石材料 岩石是在各种地质作用下 按一定方式结合而成的矿物集合体 它是构成地壳和地幔的主要物质 其主要应用有 1 建筑地基2 砌体工程3 集料 砂石材料是道路与桥梁建筑中用量最大的一种建筑材料 按照用途不同 砂石材料可以分为石料 集料和矿质混合料 第一章砂石材料 本章教学目标知识教学点石料的技术性质和技术要求集料的技术性质和技术要求矿质混合料组成设计方法能力训练点能够检验砂石材料各种技术指标能够进行矿质混合料组成设计 第一节砂石材料的技术性质 一 岩石的技术性质 一 物理性质岩石的物理性质包括 物理常数 吸水性 以及耐候性 1 物理常数岩石的物理常数是岩石矿物组成结构状态的反映 矿物实体闭口孔隙开口孔隙 三部分组成 1 密度 真实密度 岩石在规定条件 105土5 烘干至恒重 温度20 下 单位矿质实体体积 不含孔隙 的质量 公式 式中 t 石料的真实密度 g cm3 ms 石料矿质实体的质量 g vs 石料矿质实体的体积 cm3 在空气中称量石料质量 m0 0 ms M 意义 岩石的密度是选择建筑材料 研究岩石风化 评价地基基础工程岩体稳定性及确定围岩压力等必须的计算指标 测定方法 密度瓶法 1 称取石粉m1 15g 2 注入试液至瓶的一半处 3 用煮沸法 沸煮时间自悬液沸腾时算起不得少于1h 或真空抽气法 真空压力表读数宜为100kPa 抽气时间维持1 2h 排除气泡 4 加试液至满 称取质量m3 5 称瓶与试液合质量m2 t m1 m1 m2 m3 wt 2 毛体积密度 指在规定条件下 岩石单位毛体积 矿质实体 孔隙的体积 的质量 公式 式中 d 石料的毛体积密度 g cm3 ms vs 意义同前式 vi 石料开口孔隙的体积 cm3 vn 石料闭口孔隙的体积 cm3 V 石料的毛体积 cm3 测定方法 量积法 蜡封法 水中称量法 量积法适用于能制备成规则试件的各类岩石 水中称量法适用于除遇水崩解 溶解和干缩湿胀外的其它各类岩石 蜡封法适用于不能用量积法或直接在水中称量进行试验的岩石 根据岩石的含水状态 毛体积密度可分为干密度 饱和密度和天然密度 岩石的毛体积密度是一个间接反映岩石致密程度 孔隙发育程度的参数 也是评价工程岩体稳定性及确定围岩压力等必须的计算指标 3 孔隙率 岩石的孔隙体积占其总体积的百分率 定义式为 式中 n 岩石的孔隙率 V0 岩石的孔隙 开口 闭口孔隙 的体积 cm3 V 岩石的总体积 cm3 计算式 2 吸水性 岩石在规定的条件下吸水的能力 工程上常采用吸水率和饱水率这两项指标表征 1 吸水率吸水率是指在室内常温和大气压条件下 岩石试件最大的吸水质量占烘干 105土5 干燥至恒重 石料试件质量的百分率 式中 石料吸水率 m 岩石烘干至恒量时的质量 g m1 岩石试件吸水至恒量时的质量 g 2 饱水率 在试件强制饱和条件下 岩石试件的最大吸水质量占烘干石料试件质量的百分率 计算方法与吸水率相似 但饱水率 吸水率 由于使用强制饱和试件 式中 岩石饱和吸水率 m 岩石试件烘干至恒量时的质量 g m2 岩石试件强制吸水至恒量时的质量 g 饱水系数 岩石的吸水率和饱和吸水率能有效的反岩石微裂隙的发育程度 可用来判断岩石的抗冻性和风化等性能 它是评价岩石抗冻性的一种指标 保水系数越大 说明常压下吸水后留余的空间有限 岩石愈容易被冻胀破坏 3 耐候性 岩石抵抗大气等自然因素作用的性能称为耐候性 试验方法 抗冻性和坚固性 1 抗冻性 岩石在饱水状态下 能抵抗多次冻结和融化作用而不破坏的性能 表征指标 抗冻损失率 质量损失率 按下式计算 式中 L 抗冻质量损失率 ms 试验前烘干试件质量 g mf 试验后烘干试件质量 g 耐冻系数计算公式 式中 Kf 试件的耐冻系数 Rs 试验前岩石试件饱水抗压强度 MPa Rf 经冻融循环试验后岩石试件饱水抗压强度 MPa 公路工程用石料技术要求 一般其耐冻系数大于0 75 质量损失率不大于2 为抗冻好的岩石 同时试件应无明显缺损 包括剥落 裂缝和边角损坏等情况 吸水率小于0 5 软化系数大于0 75以及饱水系数小于0 8的岩石 具有足够的抗冻能力 对于一般公路工程 往往根据上述标准来确定是否需要进行岩石的抗冻性试验 2 坚固性测定方法 采用硫酸钠坚固性法 将硫酸钠饱和溶液浸入石料孔隙后 经烘干 硫酸钠结晶体积膨胀 产生有如水结冻相似的作用 使石料孔隙周壁受到张应力 经过多次循 引起石料破坏 坚固性是测定石料耐候性的一种简易 快速的方法 有条件者均应采用直接冻融法 二 力学性质 主要讨论确定石料等级的抗压强度和磨耗率两项性质 1 单轴抗压强度石料的工程用途不同 抗压强度的测试方法也不相同 道路工程 建筑工程用石料的单轴抗压强度按下式计算 式中 R 石料的抗压强度 MPa P 试件破坏时的荷载 N A 试件的截面积 mm2 岩石的抗压强度是反映岩石力学性质的主要指标之一 岩石的抗压强度受一系列因素的影响与控制 这些因素包括两个方面 A 岩石本身方面的因素如矿物组成 结构构造及含水状态等 B 试验条件试件形状 大小 高径比及加工精度 加荷速率等 2 磨耗性 岩石抵抗冲击 边缘剪切和摩擦等的联合作用的性能 也是评定石料等级的依据之一 测定方法 可采用洛杉矾试验法确定 洛杉矶试验法岩石磨耗率计算公式 式中 Q 石料的磨耗率 m1 装入磨耗机的试样质量 g m2 试验后洗净烘干的试样质量 g 三 化学性质 1 石料化学性质 石料按SiO2的含量划分为 酸性岩石 SiO2 65 中性岩石 SiO2 52 65 碱性岩石 SiO2 52 2 石料与沥青粘附性测定方法按照我国现行标准 可采用水煮法和水浸法 分光光度法 四 石料的技术标准1 石料的技术分级根据公路工程对岩石的不同要求 自然界的岩石可划分为四个岩类 2 石料的技术标准道路建筑用石料按其技术性质 饱水后的抗压强度和磨耗率 划分为四个等级 类 岩浆岩类 类 石灰岩类 类 砂岩和片岩类 类 砾石类 1级 最坚硬岩石2级 坚硬岩石3级 中等强度的岩石4级 较软的岩石 五 道路和桥涵用岩石制品 1 道路用石料制品 1 高级铺砌用整齐块石 经精凿加工而成 2 路面铺砌用整齐块石 粗凿成的方块石或条石 3 铺砌用不整齐块石 又称拳石 要求顶面为一平面 底面与顶面基本平行 4 锥形块石 又称大块石 用于路面底基层 是由片石进一步加工而得的粗打石料 2 桥梁建筑用主要石料制品 1 片石 粗打石料 其形状不限制 但薄片者不得使用 2 块石 有两个较大的平行面 3 方块石 在块石中选择形状比较整齐者稍加修整 4 粗料石 表面凹凸不大于10mm 砌缝宽度小于20mm 5 细料石 表面凹凸不大于5mm 砌缝宽度小于15mm 6 镶面石 一般应选用较好的石料 二 集料的技术性质 一 集料的分类集料包括岩石天然风化而成的砾石 卵石 和砂等 岩石经机械和人工轧制的各种尺寸的碎石 以及工业冶金矿渣 在混合料中起骨架和填充作用 根据集料在工程混合料中的不同作用 可以按粒径将其划分为粗集料和细集料两种 集料 粗集料 在混合料中起骨架作用 碎石 砾石等 在水泥混凝土中 粒径 4 75mm 以方孔筛计 在沥青混合料中 粒径 2 36mm 以方孔筛计 在水泥混凝土中 粒径 4 75mm 以方孔筛计 在沥青混合料中 粒径 2 36mm 以方孔筛计 1 粗集料的技术性质 1 物理性质1 物理常数集料的物理常数 要考虑到集料颗粒中的孔隙 开口孔隙或闭口孔隙 以及颗粒间的空隙 表观密度 简称视密度 指在规定条件 105 5 烘干至恒重 下 单位表观体积 包括矿质实体和闭口孔隙的体积 的质量 由右图体积与质量的关系 可表示为 式中 a 粗集料的表观密度 g cm3 ms 矿质实体质量 g Vs 矿质实体体积 cm3 Vn 矿质实体中闭口孔隙体积 cm3 测试方法 试验规程规定采用网篮法测定粗集料的表观密度1 将粗集料在规定条件下烘干称其质量ma 2 再将干燥粗集料装在金属吊篮中浸水24h 称出饱水质量mw3 计算 T 试验温度为T时水的密度g 3 毛体积密度粗集料的毛体积密度指在规定的条件下 单位毛体积 包括矿质实体 闭口孔隙和开口孔隙 的质量 可由下式求得 式中 b 粗集料的毛体积密度 g cm3 ms 矿质实体质量 g vs vi vn 分别为粗集料矿质实体 闭口孔隙和开口孔隙体积 cm3 测定方法同表观密度 计算式 mf 吸水饱和后 用拧干的湿毛巾擦干集料的表面水后称得饱和面干质量 表干密度 饱和面干毛体积密度 在规定的条件下 单位毛体积 包括矿质实体 闭口孔隙和开口孔隙 物质颗粒的饱和面干质量 计算公式 式中 s 粗集料的表干密度 g cm3 mf 粗集料的饱和面干质量 g vs vi vn 分别为粗集料矿质实体 闭口孔隙和开口孔隙体积 cm3 测定方法同表观密度 计算式 mf 吸水饱和后 用拧干的湿毛巾擦干集料的表面水后称得饱和面干质量 堆积密度 将集料装填于容器中包括集料空隙 颗粒之间的 和孔隙 颗粒内部的 在内的单位体积的质量 计算公式 式中 粗集料的堆积密度 g cm3 ms 矿质实体质量 g vs vp vv 分别为粗集料矿质实体 孔隙和空隙的体积 cm3 按堆积的松紧程度不同分类 自然堆积密度与振实 捣实 堆积密度 空隙率 水泥混凝土用粗集料振实状态下的空隙率计算公式 式中 Vc 粗集料的空隙率 a 粗集料的表观密度 g cm3 振实状态下粗集料的堆积密度 g cm3 沥青混合料用粗集料捣实状态下的间隙率 计算式 式中 VCADRC 捣实状态下粗集料骨架间隙率 b 粗集料的毛体积密度 g cm3 捣实状态下粗集料的堆积密度 g cm3 含水率 指粗集料在自然状态下条件下的含水的大小 计算式 w 粗集料含水率 m1 未烘干的试样与容器的总质量 g m2 烘干后的试样与容器的总质量 g m0 容器的质量 g 粗集料的吸水率可按下式计算 式中 wx 粗集料的吸水率 m1 烘干后的试样与容器的总质量 g m2 吸水至恒重的试样与容器的总质量 g m3 容器的质量 g 2 集料粒径与筛孔 最大粒径这是一个较为重要但又容易引起混淆的概念 集料的最大粒径这一概念由两个不同定义构成 即集料最大粒径和集料公称最大粒径 A 集料最大粒径 指集料100 都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸 B 集料公称最大粒径 指集料可能全部通过或允许有少量不通过 一般容许筛余不超过10 的最小标准筛筛孔尺寸 这两个定义涉及的粒径有着明显区别 通常集料公称最大粒径比最大粒径要小一个粒级 但在实际使用过程中 甚至在一些书本资料上也经常不加严格区别 容易引起混淆 实际上工程中所指的最大粒径往往是指公称最大粒径 这一点在今后的应用中要加以区分 标准筛 对颗粒材料进行筛分试验应用符合标准形状和尺寸规格要求的系列样品筛 不同用途采用不同规格标准套筛 是我国多年以来的一种特有的做法 随着与国际通用方式的接轨 全部采用方孔筛成为一种必然趋势 2003年颁布并实施的新一版 公路水泥混凝土路面施工技术规范 就已开始采用方孔筛标准 筛析试验用套筛 振筛机 3 级配 指粗集料中各组成颗粒的分级和搭配 可通过筛析试验来确定 级配的三参数 分计筛余百分率 式中 mi 存留在某号筛上的试样质量 g M 试样的总质量 g 累计筛余百分率Ai 式中 a1 a2 ai为各号筛的分计筛余百分率 通过百分率pi Pi 100 Ai 4 粗集料针片状颗粒含量针状颗粒 颗粒长度大于平均粒径2 4倍的颗粒 片状颗粒 颗粒厚度小于平均粒径0 4倍的颗粒5 坚固性可参照石料的抗冻性和坚固性试验 对已轧制成的碎石或卵石 可采用规定级配的各粒级集料试验 2 路用粗集料的力学性质 主要是压碎值和磨耗度 其次磨光值 道瑞磨耗值和冲击值 1 集料压碎值 指集料在连续增加的荷载下 抵抗压碎的能力 计算公式 式中 m0 试验前试样质量 g m1 试验后通过2 36mm筛孔细料质量 g 2 集料磨光值高速公路要求的力学性质 集料的抗磨光性 按我国现行试验规程 是采用石料磨光值 PolishedStoneValue简称PSV 来表示 意义 石料磨光值愈高 表示其抗滑性愈好 抗滑面层应选用磨光值高的集料 如玄武岩 安山岩 砂岩和花岗岩等 3 集料冲击值集料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的性能 称为抗冲击韧性 指标 冲击值 计算公式 式中 AIV 集料的冲击值 m1 试验后通过2 36mm的试样质量 g m 原试样质量 g 4 集料磨耗值 用于评定抗滑表层所用粗集料抵抗车轮撞击及磨耗的能力 道瑞试验磨耗值的计算公式 式中 AAV 集料磨耗值 m1 磨耗前试件的质量 g m2 磨耗后试件的质量 g s 集料表干密度 g cm3 洛杉矶磨耗试验 式中 Q 粗集料磨耗损失 m1 试验前烘干试样的质量 m2 试验后洗净烘干试样的质量 意义 磨耗值愈高 表示集料耐磨性愈差 要求 不同道路等级对抗滑表层集料的磨光值 道瑞磨耗值和冲击值的技术要求见下表 抗滑表层用集料技术要求 2 细集料的技术性质 1 物理常数 包括表观密度 堆积密度和空隙率等物理常数 其含义与粗集料完全相同 但是由于它的粒径较小 测定与计算的方法稍有不同 2 级配 各级粒径颗粒的分配情况 可通过砂的筛分试验确定 筛分试验 将500g试样 置于一套标准筛进行筛分 分别称出试样存留在各筛上质量 并计算其级配有关参数 3 粗度粗度是评价砂粗细程度的一种指标 指标 细度模数 或细度模量 可按下式计算 式中 Mx 细度模数 A4 75 A2 36 A1 18 A0 6 A0 3 A0 15 4 75mm 2 36mm 0 15mm各筛累计筛余 按细度模数可将砂分为下列三级 Mx 3 7 3 1为粗砂Mx 3 0 2 3为中砂Mx 2 2 1 6为细砂 结论 细度模数越大 表示细集料越粗 第二节矿质混合料的组成设计 所谓的矿质混合料就是能够满足级配要求的各种粒径材料的集合体 简称矿料 砂石集料在土木工程中 主要以矿质混合料的形式与结合料组配使用 组配要求 多种集料按照一定的比例搭配起来 以达到较高的密实度和较大的摩擦力 一 可采用的级配类型 有连续级配和间断级配两种 如图所示 二 矿质混合料的级配理论1 最大密度曲线理论 富勒理论 观点 矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线 则其密度愈大 当矿质混合料的级配曲线为抛物线时 具有最大密实度 a b a 常坐标 b 半对数坐标 理想最大密度级配曲线 最大密度级配曲线公式 可用矿料颗粒粒径 d 与通过量 p 表示 式中 d 矿质混合料各级颗粒粒径 mm p 各级颗粒粒径集料的通过量 k 常数 2 最大密度曲线n幂公式 泰波理论 观点 最大密度曲线是一种理论的级配曲线 实际上 级配曲线应该有一定的波动范围 公式 式中 p d和D 意义同前 n 实验指数 实际研究认为 在沥青混合料中应用 当n 0 45时密度最大 在水泥混凝土中应用 当n 0 25 0 45时工作性较好 通常使用的矿质混合料的级配范围 包括密级配和开级配 n 0 3 0 7 三 级配曲线范围的绘制 按前述级配理论公式计算的各级集料在矿质混合料中的通过百分率 以通过百分率为纵坐标轴 以粒径为横坐标轴 绘制成曲线 即为理论级配曲线 图1 6最大密度曲线和级配范围 各种颗粒粒径在横坐标上位置的确定方法如下 确定横坐标的长度S 确定横坐标的间距系数 式中 S 给定的横坐标长度 mm dmax 集料的最大粒径 mm dmin 集料的最小粒径 mm 各种颗粒粒径在横坐标上距最小粒径的位置 式中 Si 各筛孔距最小筛孔的距离 mm di 需要计算的颗粒粒径 mm 四 矿质混合料的组成设计方法目前矿质混合料的组成设计方法主要有数解法与图解法两大类 1 数解法用数解法解矿质混合料组成的方法很多 最常用的方法有试算法和正规方程法 试算法适用于3 4种矿料组配 正规方程法可用于多种矿料组成 所得结果准确 但计算较为繁杂 不如图解法简便 下面主要介绍试算法 1 试算法1 按题意作下列两点假设 设A B C三种集料在混合料M中的用量比例分别为X Y Z 则 又设混合料M中某一级粒径 i 要求的含量为M i A B C三种集料中该粒径的含量分别为 A i B i C i 则 2 计算步骤 计算A集料在矿质混合料中的用量比例首先 找出A集料占优势含量的某一粒径 如粒径 i 而忽略B C集料在此粒径的含量 即B集料和C集料该粒径的含量aB i 和aC i 均等于零 A集料在混合料中的用量 计算C集料在矿质混合料中的用量比例原理同前 设C集料的优势粒径为j mm 则A集料和B集料在该粒径的含量aA j 和aB j 均等于零 C集料在混合料中的用量 计算B集料在矿质混合料中的用量比例由前式得出B集料在矿质混合料中的用量 校核调整按以上计算的配合比计算合成级配 如不在要求的级配范围内 应调整 重新计算和复核配合比 经几次调整 直到符合要求为止 如经计算确不能满足级配要求时 可掺加某些单粒级集料 或调换其它原始集料 2 图解法 1 基本原理通常级配曲线图采用半对数坐标图绘制 所绘出的级配范围中值为一抛物线 图解法中 为使要求级配中值呈一直线 采用纵坐标的通过量 Pi 为算术坐标 而横坐标的粒径采用 d D n表示 则绘出的级配曲线中值为直线 如图 a b 图解法级配曲线坐标图 2 计算步骤1 绘制级配曲线坐标图 设计级配范围中值 2 确定各种集料用量 两相邻级配曲线重叠 等分 两相邻级配曲线相接 连分 两相邻级配曲线相离 平分 3 校核按图解所得的各种集料用量 校核计算所得合成级配是否符合要求 如不能符合要求 即超出级配范围 应调整各集料的用量 矿质混合料配合比设计工程实例试采用图解法设计某高速公路用细粒式沥青混凝土的矿质混合料配合比 1 原始资料 1 现有碎石 石屑 砂和矿粉四种矿质集料 现场取样进行筛分如下表 2 确定矿质混